鋼管混凝土壺型式柱腳抗推性能研究

范德任

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

引言

近年來, 鋼管混凝土柱在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3],柱腳作為柱與承臺的連接部分,其性能的優(yōu)劣,對整個(gè)柱的抗震性能有著很大的影響, 外包式柱腳是將鋼柱位于基礎(chǔ)頂面以上, 通過在鋼柱的一定高度范圍內(nèi)綁扎鋼筋和外包混凝土,將鋼柱腳包裹起來,抵抗彎矩作用,提高柱腳抗彎和抵抗變形的能力[4]。外包式柱腳相較于傳統(tǒng)柱腳具有傳力穩(wěn)定和便于施工的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程中具有較大的實(shí)用價(jià)值。

Xu W, Han L H, Li W[5]采用擬靜力試驗(yàn)對鋼管混凝土柱腳進(jìn)行研究, 研究外包高度以及尺寸對試件承載力退化以及耗能情況的影響, 得到結(jié)論為對于尺寸較大的試件, 增加外包柱腳的高度可以使試件的承載力、剛度以及延性得到明顯的提升。

由于目前國內(nèi)外對于外包式柱腳的研究相對較少[6-7],因此本研究提出一種壺型外包式柱腳,分別對普通鋼管混凝土柱以及設(shè)置了壺型外包的鋼管混凝土柱進(jìn)行有限元模擬, 主要研究采用壺型外包式柱腳對鋼管混凝土柱的抗推性能的影響。

1 有限元分析模型

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了研究壺型鋼管混凝土柱腳對鋼管混凝土墩柱受力性能的影響, 本研究以某直徑為1.1 m 的圓鋼管混凝土柱為原型,采用1/3 的縮尺模型,設(shè)計(jì)了未對柱腳進(jìn)行修改的UBAP-1 以及在縮尺模型基礎(chǔ)上采用壺型柱腳的UBAP-HX 兩種墩柱。

UBAP-1 墩柱采用三個(gè)預(yù)制鋼管混凝土拼接而成,墩柱的高度為1 800 mm,鋼管外徑為350 mm,壁厚為12 mm,內(nèi)部填充C40 混凝土,承臺尺寸為1 200 mm×800 mm×500 mm。UBAP-HX 墩柱在UBAP-1墩柱的基礎(chǔ)上,柱腳位置處設(shè)置外包壺型鋼筋混凝土,高度為875 mm(2.5 d,d 為鋼管外直徑),外包上部厚度為75 mm,下部厚度為200 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

在本研究的有限元模擬分析中,承臺、鋼管、外包段混凝土和核心混凝土均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,鋼筋則使用桁架單元模擬,為了兼顧有限元計(jì)算時(shí)的精度和速度,網(wǎng)格劃分時(shí),模型各部件的單元大小控制在50～100 mm 之間。試件網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 試件網(wǎng)格劃分圖

1.3 材料本構(gòu)關(guān)系

混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系采用劉威[8]提出的核心混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系,混凝土單軸受拉本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[9]中的模型。本研究鋼材相關(guān)參數(shù)取值參考王萌[10]等擬合了適用于有限元分析的關(guān)鍵材料參數(shù),如表1 所示。

表1 鋼材非線性混合強(qiáng)化模型材料參數(shù)

1.4 邊界條件和加載制度

鋼管與混凝土、承臺、壺型柱腳間的相互作用采用“面面接觸”模擬。考慮混凝土與鋼管的黏結(jié)作用,取摩擦系數(shù)為0.6。鋼筋均埋入(embeded)承臺和壺型外包中。在承臺底部設(shè)置固定端。模型的加載方案為集中力和位移增量相結(jié)合加載,具體加載過程分為兩步,先在柱頂施加500 kN 豎向荷載(0.1 軸壓比),使用降溫法對預(yù)應(yīng)力筋施加500 kN 預(yù)應(yīng)力(0.1 軸壓比),再在側(cè)面施加水平往復(fù)荷載。再在墩帽側(cè)面施加水平往復(fù)荷載,通過位移控制加載水平往復(fù)荷載。試件的初始加載位移角為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%, 再按照每級增加0.5%的位移進(jìn)行加載,直到試件水平荷載降到峰值荷載的85%時(shí)停止加載。

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

為了顯示和對比分析有限元模擬的破壞狀態(tài),可根據(jù)應(yīng)力云圖進(jìn)行查看, 應(yīng)力云圖能直觀的顯示試件的應(yīng)力變化情況和各部位的變形等。UBAP-1 和UBAP-HX 墩柱在低周往復(fù)荷載作用下的應(yīng)力云圖見圖2。

圖2 各試件整體應(yīng)力云圖

UBAP-HX 墩柱中鋼柱最大應(yīng)力出現(xiàn)在壺型外包段位置處的上部,UBAP-1 墩柱中鋼柱最大應(yīng)力出現(xiàn)在承臺與墩柱的連接的柱腳處。壺型外包段的約束效應(yīng)使鋼管混凝土柱塑性變形上移, 避免了在柱腳位置處的破壞。

2.2 滯回曲線分析

通過有限元模型計(jì)算得到墩柱的滯回曲線, 滯回曲線是墩柱在往復(fù)循環(huán)荷載作用下的柱頂反力與水平位移之間的關(guān)系。能綜合反應(yīng)墩柱在水平往復(fù)荷載作用下的承載力及耗能能力,2 個(gè)試件的荷載- 位移滯回曲線見圖3。

圖3 試件滯回曲線

由圖3 可知,當(dāng)加載位移較低時(shí),滯回環(huán)較為集中乃至重疊,表明此時(shí)處于彈性節(jié)段;隨著水平位移的不斷增大,試件由彈性節(jié)段過渡到塑性階段,兩類試件滯回環(huán)面積均不斷增大,耗能能力不斷增強(qiáng)。可以看出,UBAP-HX 試件的峰值荷載比UBAP-1 試件的峰值荷載較大, 說明壺型外包能提高墩柱的承載能力。且UBAP-HX 試件曲線形狀較為飽滿, 說明其耗能能力較好,塑性變形能力較強(qiáng),能較好的吸收水平往復(fù)荷載的能量。

2.3 骨架曲線對比

骨架曲線能夠反映試件的強(qiáng)度、延性等抗震性能指標(biāo)。2 個(gè)試件的骨架曲線對比見圖4。

圖4 試件骨架曲線對比圖

由圖4 分析可知,在加載的初始階段,兩個(gè)試件的骨架曲線幾乎一致, 因?yàn)閁BAP-HX 墩柱在柱腳處設(shè)置了壺型外包,所以獲得了較高的初始剛度。在位移達(dá)到20 mm 時(shí),UBAP-HX 試件達(dá)到峰值承載力為136 kN, 在位移達(dá)到30 mm 時(shí),UBAP-1 試件達(dá)到峰值承載力為62.1 kN, 隨后承載力隨著位移的增加而降低,UBAP-HX 試件的峰值承載力相對于UBAP-1 試件提高了119%左右,這主要是因?yàn)閴匦屯獍募s束效應(yīng)所造成的。

3 結(jié)論

本研究分別對壺型外包鋼管混凝土墩柱和普通鋼管混凝土墩柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1) 壺型外包能提高試件的承載能力和剛度,本研究中, 設(shè)置了壺型外包的UBAP-HX 柱相對于未設(shè)置壺型外包的UBAP-1 柱的承載力提高了119%。

(2) 壺型外包的設(shè)置可讓鋼管的塑性鉸上移,避免了在柱腳位置處的破壞。